JP6713867B2 - デュアルスピンバルブ磁気検出素子の製造方法およびデュアルスピンバルブ磁気検出素子を使用した磁気検出装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明はセルフピン型のデュアルスピンバルブ磁気検出素子の製造方法およびデュアルスピンバルブ磁気検出素子を使用した磁気検出装置の製造方法に関する。

従来の非接触式の磁気センサでは、磁気抵抗効果素子を使用した磁気検出装置が使用されている。特許文献１に記載されている磁気センサは、セルフピン型の磁気抵抗膜（Magnetic Resistance膜、以下、「セルフピン型ＭＲ膜」という）を有する磁気検出素子を備えている。セルフピン型ＭＲ膜を備えた磁気検出素子は、固定磁性層のピン止めに反強磁性膜の交換結合力を使用せず、固定磁性層自身の大きな保磁力を使用し、かつ強力な反平行結合層を使用した多層膜構造のピン層（ＳＦＰ）構造を備えている。この構造には、ＭＲ膜の薄膜化、高耐熱性、磁気検出素子の１チップ化、磁場中アニール不要（低コスト、工程短い）等のメリットがある。

特許文献２に記載されているデュアルスピンバルブ磁気検出素子は、デュアル構造のスピンバルブＭＲ膜を備えている。デュアルスピンバルブ構造は、ＭＲ膜の膜厚中心に設けられたフリー磁性層（自由層）の上下にそれぞれ、非磁性中間層、固定磁性層および反強磁性層が設けられた構造である。フリー磁性層の近くにある２つの固定磁性層の固定磁化方向を同じ向きとし、電子のスピン依存散乱の発生確率を増加させることによって、抵抗変化率（ΔＭＲ）を増加させる。このため、デュアルスピンバルブ構造は、磁気検出素子の出力の増加を可能にする。

特開２０１２−１１９６１３号公報 特開２０００−２１５４２１号公報

特許文献１の磁気検出素子におけるセルフピン型ＭＲ膜は、成膜時の磁場印加方向によって固定磁性層の磁化の向きが決定される。しかし、デュアルスピンバルブ構造にする場合に、フリー磁性層の近くにある２つの固定磁性層の固定磁化方向を一致させる最適な方法が知られていなかった。

反強磁性層を備えたデュアルスピンバルブ構造の磁気検出素子は、磁場中アニール工程によって固定磁性層の磁化方向を固定する。この磁場中アニール工程において印加される磁場方向により、固定磁化層の磁化方向が決定される。このため、１つの基板に感度軸方向（固定磁化方向）が相違する磁気検出素子を組み合わせて配置することができないという問題がある。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、フリー磁性層の近くにある２つの固定磁性層の固定磁化方向を一致させて、抵抗変化率（ΔＭＲ）を増加させたセルフピン型ＭＲ膜を備えたデュアルスピンバルブ磁気検出素子の製造方法およびデュアルスピンバルブ磁気検出素子を使用した磁気検出装置の製造方法を提供することを目的としている。

本発明は、第１固定磁性層と第１非磁性材料層とフリー磁性層と第２非磁性材料層と第２固定磁性層が隣接しており、
前記第１固定磁性層が、前記第１非磁性材料層側から第２磁性層と第１非磁性中間層と第１磁性層の順に隣接して、前記第２固定磁性層が、前記第２非磁性材料層側から第３磁性層と第２非磁性中間層と第４磁性層の順に隣接しているデュアルスピンバルブ磁気検出素子の製造方法において、
（ａ）前記第１磁性層を、磁場中で成膜する工程と、
（ｂ）前記第４磁性層を、前記（ａ）の工程において印加される磁場と逆方向の磁場中で成膜する工程と、を有し、
前記（ａ）の工程と前記（ｂ）の工程との間に、
（ｃ）前記第２磁性層を前記（ａ）の工程において印加される磁場と同方向の磁場中で成膜する工程と、
（ｄ）前記第３磁性層を前記（ａ）の工程において印加される磁場と同方向の磁場中で成膜する工程と、を有して、
前記第２磁性層の磁化と前記第３磁性層の磁化を同じ向きに固定することを特徴とするものである。

前記デュアルスピンバルブ磁気検出素子は、前記第１磁性層の保磁力Ｈｃ１ が前記第２磁性層の保磁力Ｈｃ２よりも高く、前記第４磁性層の保磁力Ｈｃ４が前記第３磁性層の保磁力Ｈｃ３よりも高いものであることが好ましい。

また、前記デュアルスピンバルブ磁気検出素子は、前記第１磁性層の膜厚ｔ１が前記第２磁性層の膜厚ｔ２よりも薄く、前記第１磁性層の磁化量Ｍｓ１・ｔ１が前記第２磁性層の磁化量Ｍｓ２・ｔ２と実質的に同じであり、前記第４磁性層の膜厚ｔ４が前記第３磁性層の膜厚ｔ３よりも薄く、前記第４磁性層の磁化量Ｍｓ４・ｔ４が前記第３磁性層の磁化量Ｍｓ３・ｔ３と実質的に同じであることが好ましい。

次に、本発明のデュアルスピンバルブ磁気検出素子を使用した磁気検出装置の製造方法は、本発明のデュアルスピンバルブ磁気検出素子の製造方法により、同一の基板上に複数のデュアルスピンバルブ磁気検出素子を形成するものである。

本発明のデュアルスピンバルブ磁気検出素子を使用した磁気検出装置の製造方法は、前記第１固定磁性層の固定磁化方向と第２固定磁性層の固定磁化方向とを素子ごとに相違させた、複数の前記デュアルスピンバルブ磁気検出素子を、同じ基板上に形成する製造方法として構成できる。

本発明のデュアルスピンバルブ磁気検出素子の製造方法は、（ａ）の工程において第１磁性層に印加される磁場と逆方向の磁場を印加して第４磁性層を成膜する（ｂ）の工程を備えている。（ｂ）の工程において成膜される第４磁性層と第３磁性層との間の相互作用により、第４磁性層の固定磁性方向を１磁性層と同じ向きにすることができる。その結果、フリー磁性層の近くにある第２磁性層および第３磁性層の固定磁化方向を一致させることができ、抵抗変化率（ΔＭＲ）の高いデュアルスピンバルブ磁気検出素子とすることが可能となる。

本発明の磁気検出装置の製造方法は、固定磁化方向が素子ごとに相違する複数のデュアルスピンバルブ磁気検出素子を同一基板上に成膜できるため、磁気センサを小型化でき、同一の磁気センサ内で、複数の磁気検出素子の相互の寸法関係や、相互の固定磁化方向を高精度に設定することが可能になる。

本発明の実施形態の製造方法により製造されるデュアルスピンバルブ磁気検出素子１０の膜構成を示す説明図、 本発明の実施形態の製造方法により製造される磁気センサ３０の回路ブロック図、 図３の磁気センサ３０に使用される磁気検出素子１０を示す平面図、 （Ａ）〜（Ｄ）は、図２の磁気センサ３０の製造方法において、複数の磁気検出素子の固定磁性層形成工程を模式的に示す平面図、 比較例１の磁気検出素子２０の膜構成を示す説明図、 実施例１の磁気検出素子１０のＲ−Ｈ曲線、 比較例１の磁気検出素子２０のＲ−Ｈ曲線、 実施例１の磁気検出素子１０と比較例１の磁気検出素子２０の抵抗変化率△ＭＲを比較するグラフ。

＜第１の実施形態＞
図１に本発明の第の実施形態の製造方法により製造されるデュアルスピンバルブ磁気検出素子１０（以下、適宜、「磁気検出素子１０」ともいう）の膜構成が示されている。

＜磁気検出素子＞
磁気検出素子１０は、基板の表面から、下地層（シード層）１、第１固定磁性層４Ａ、第１非磁性材料層（非磁性中間層）３Ａ、フリー磁性層（強磁性自由層）２、第２非磁性材料層（非磁性中間層）３Ｂ、第２固定磁性層４Ｂ、および保護層５の順に積層されて成膜されている。第１固定磁性層４Ａは、第１非磁性材料層３Ａ側から、第２磁性層４Ａａと第１非磁性中間層４Ａｂと第１磁性層４Ａｃの順に隣接している。第２固定磁性層４Ｂは、第２非磁性材料層３Ｂ側から、第３磁性層４Ｂａと第２非磁性中間層４Ｂｂと第４磁性層４Ｂｃの順に隣接している。これら各層は、例えばスパッタ工程やＣＶＤ工程で成膜される。

磁気検出素子１０は、いわゆるデュアルスピンバルブ型であり、フリー磁性層２を共有する２つの磁気検出素子が、下地層１側および保護層５側にそれぞれ形成された構成となり、磁気検出素子１０の出力を向上させている。

下地層１は、ＮｉＦｅＣｒ合金（ニッケル・鉄・クロム合金）あるいはＣｒなどで形成されている。

フリー磁性層２は、その材料および構造が限定されるものではない。例えば、材料としてＣｏＦｅ合金（コバルト・鉄合金）、ＮｉＦｅ合金（ニッケル・鉄合金）などを用いて、単層構造、積層構造、積層フェリ構造などとして形成することができる。
第１非磁性材料層３Ａおよび第２非磁性材料層３Ｂは、Ｃｕ（銅）などを用いて形成することができる。

第１固定磁性層４Ａは、第１磁性層４Ａｃおよび第２磁性層４Ａａと、これらの二層の間に位置する非磁性中間層４Ａｂと、で構成されたセルフピン止め構造となっている。第１磁性層４Ａｃの固定磁化方向と、第２磁性層４Ａａの固定磁化方向とは、相互作用により反平行となっている。非磁性材料層３Ａに隣接する第２磁性層４Ａａの固定磁化方向Ｐ２が固定磁性層４Ａの固定磁化方向である。この固定磁化方向Ｐ２が延びる方向が磁気検出素子１０の感度軸方向である。

第１磁性層４Ａｃおよび第２磁性層４Ａａは、ＦｅＣｏ合金（鉄・コバルト合金）で形成される。ＦｅＣｏ合金は、Ｆｅの含有割合を高くすることにより、保磁力が高くなる。非磁性材料層３Ａに隣接する第２磁性層４Ａａはスピンバルブ型の巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）に寄与する層である。第１非磁性中間層４ＡｂはＲｕ（ルテニウム）などで形成されている。Ｒｕからなる非磁性中間層４Ａｂの膜厚は、３〜５Åまたは８〜１０Åであることが好ましい。

図１において部材番号の後の大文字アルファベットは、複数の同じ機能の部材（層）を区別するために付したものである。例えば、第２非磁性材料層３Ｂは、上述した第１非磁性材料層３Ａと機能が同じであり、第２固定磁性層４Ｂと第１固定磁性層４Ａも機能が同じである。第３磁性層４Ｂａ、第２非磁性中間層４Ｂｂおよび第４磁性層４Ｂｃは、それぞれが上述した第２磁性層４Ａａ、第２非磁性中間層４Ａｂおよび第１磁性層４Ａｃと同じ機能であるから同じ材料を用いることができる。

図１に示されているように、第１固定磁性層４Ａにおける第２磁性層４Ａａの固定磁化方向Ｐ２と、第２固定磁性層４Ｂにおける第３磁性層４Ｂａの固定磁化方向Ｐ３とは同じである。フリー磁性層２の両側に第２固定磁性層４Ｂと第３磁性層４Ｂａとが存在することで、磁気検出素子１０の抵抗変化率（ΔＭＲ）を高くすることができる。

第１固定磁性層４Ａでは、第１磁性層４Ａｃの保磁力Ｈｃ１が第２磁性層４Ａａの保磁力Ｈｃ２よりも高い。第２固定磁性層４Ｂでは、第４磁性層４Ｂｃの保磁力Ｈｃ４が第３磁性層４Ｂａの保磁力Ｈｃ３よりも高い。したがって、第１固定磁性層４Ａにおける第２磁性層４Ａａの固定磁化方向Ｐ２は、第１磁性層４Ａｃの固定磁化方向Ｐ１によって決定される。第２固定磁性層４Ｂにおける第３磁性層４Ｂａの固定磁化方向Ｐ３は、第４磁性層４Ｂｃの固定磁化方向Ｐ４によって決定される。

ＦｅＣｏ合金は、Ｆｅの含有割合を高くすることにより保磁力が高くなる。ＦｅＣｏ合金を用いる場合には、第１磁性層４Ａｃおよび第４磁性層４Ｂｃを、第２磁性層４Ａａおよび第３磁性層４ＢａよりもＦｅの含有割合が高いＦｅＣｏ合金を用いて構成すればよい。例えば、第１磁性層４Ａｃおよび第４磁性層４ＢｃをＦｅ_ＸＣｏ_{１００−Ｘ}（Ｘは５５ａｔ％以上６５ａｔ％以下）で形成し、第２磁性層４Ａａおよび第３磁性層４ＢａをＦｅ_ＸＣｏ_{１００−Ｘ}（Ｘは１５ａｔ％以下 ）で形成すればよい。

磁気検出素子１０の性質を安定に保持するために、第１磁性層４Ａｃの磁化量Ｍｓ１・ｔ１と第２磁性層４Ａａの磁化量Ｍｓ２・ｔ２とを実質的に同じ大きさとする。このため、第１磁性層４Ａｃの膜厚ｔ１は第２磁性層４Ａａの膜厚ｔ２よりも薄く、第４磁性層４Ｂｃの膜厚ｔ４は、第３磁性層４Ｂａの膜厚ｔ３よりも薄い。第１磁性層４Ａｃの膜厚ｔ１および第４磁性層４Ｂｃの膜厚ｔ４は、１４Å以上２０．５Å以下であることが好ましい。第２磁性層４Ａａの膜厚ｔ２および第３磁性層４Ｂａの膜厚ｔ３は、１６．５Å以上２６Å以下であることが好ましい。

＜磁気検出素子の製造方法＞
以下、図１を参照して磁気検出素子１０の製造方法を説明する。
＜第１固定磁性層４Ａの形成＞
第１固定磁性層４Ａの形成工程は、第１磁性層４Ａｃ、第１非磁性中間層４Ａｂおよび第２磁性層４Ａａをスパッタ工程で成膜する。
第１磁性層４Ａｃを形成する工程（ａ）では、図１の右方向（Ｐ１方向）に磁場を印加しながらスパッタ工程を行う。第１磁性層４Ａｃの固定磁化方向Ｐ１は、工程（ａ）において印加された磁場の方向により決定される。第１磁性層４Ａｃは保磁力が高いため、固定磁化方向Ｐ１はその後に印加される磁場によって変化しにくい。

第１固定磁性層４Ａは、高保磁力層であって、第１磁性層４Ａｃの保磁力が第２磁性層４Ａａよりも十分に高いため、固定磁化方向がＰ１方向に決められた第１磁性層４Ａｃとの相互作用によって、その後に成膜される第２磁性層４Ａａの固定磁化方向Ｐ２が反平行に固定される。このときの相互作用は、既に成膜が完了した高保磁力層である第１固定磁性層４Ａの固定磁化方向Ｐ１によって決められる。そのために、第２磁性層４Ａａを成膜するスパッタ工程（ｃ）において、どの向きの磁場が印加されても、あるいは磁場が印加されていなくでも、第２磁性層４Ａａの固定磁化方向Ｐ２に影響を与えない。

例えば、図示右向きの磁場を印加しながら第１磁性層４Ａｃを成膜し、第１非磁性中間層４Ａｂを成膜した後に、図示右向き磁場の印加を継続したまま第２磁性層４ａを成膜する。あるいは、第１磁性層４Ａｃを成膜するときのみ図示右向きの磁場を印加して、第２磁性層４ａは磁場を印加することなく成膜する。いずれの場合も、成膜後の第２磁性層４Ａａの固定磁化方向はＰ２方向に固定される。

このように、第２磁性層４Ａａを成膜する工程（ｃ）は、磁場中または無磁場中のいずれでなされてもよいが、第２磁性層４Ａａを磁場中で成膜する場合、第１固定磁性層４Ａの成膜工程の簡易化の観点から、第１磁性層４Ａｃを成膜する工程（ａ）と同じ磁場を継続して与えながら行うことが好ましい。

第１磁性層４Ａｃ、第１非磁性中間層４Ａｂおよび第２磁性層４Ａａの成膜が完了すると、所定の厚さのＲｕ層である第１非磁性中間層４Ａｂを挟んだ状態で、強い相互作用（反平行結合）が働き、磁化の向きが固定され、第１磁性層４Ａｃの固定磁化方向Ｐ１が図示右向きに決められ、第２磁性層４Ａａの固定磁化方向Ｐ２が図示左向きに決められる。このときの磁化の固定力は、第１固定磁性層４Ａの高保磁力により維持される。したがって、その後は、外部磁場がどの向きとなっても、固定磁化方向Ｐ１と固定磁化方向Ｐ２が固定されたままとなり、変化しにくい。

＜第２固定磁性層４Ｂの形成工程＞
固定磁化方向Ｐ１，Ｐ２が決められた第１固定磁性層４Ａの上に、第１非磁性材料層３Ａ、フリー磁性層２および第２非磁性材料層を形成した後、第２固定磁性層４Ｂを形成する。

第２固定磁性層４Ｂの形成工程では、第３磁性層４Ｂａ、第２非磁性中間層４Ｂｂおよび第４磁性層４Ｂｃの３層がスパッタ工程で順に成膜される。第２固定磁性層４Ｂの固定磁化方向Ｐ３，Ｐ４は、高保磁力層である第４磁性層４Ｂｃの磁化の向きによって決められる。そのため、第３磁性層４Ｂａの固定磁化方向Ｐ３と第４磁性層４Ｂｃの固定磁化方向Ｐ４は、第３磁性層４Ｂａと第２非磁性中間層４Ｂｂと第４磁性層４Ｂｃの３層の成膜が完了した時点での相互作用によって決定される。

先に成膜される第３磁性層４Ｂａは第４磁性層４Ｂｃよりも保磁力が小さい。そのため、第３磁性層４Ｂａの成膜工程（ｄ）では、磁場が印加されても印加されなくても、また磁場の向きがどちらを向いていても、完成後の第２固定磁性層４Ｂの固定磁化の向きに影響を与えることがない。したがって、第３磁性層４Ｂａを成膜するときに、成膜工程の簡易化の観点から、第１磁性層４Ａｃの成膜と同じ方向の磁場の印加を継続したままで行うことが好ましい。

第３磁性層４Ｂａが成膜された後に、第２非磁性中間層４Ｂｂを成膜し、さらにその上に高保磁力層である第４磁性層４Ｂｃを徐々に膜厚が大きくなるように成膜していくが、この成膜工程（ｂ）で、第３磁性層４Ｂａの磁化を固定すべき方向（Ｐ３方向）に磁場を与える。すなわち、第１磁性層４Ａｃを成膜したときの磁場の向き（Ｐ１）と逆向きのＰ３方向の磁場を与えながら第４磁性層４Ｂｃを成膜する。

第３磁性膜４Ｂａは保磁力が小さく、内部の磁化は外部磁場に追従して変化しやすい。よって、既に成膜されている第３磁性膜４ＢａにＰ３方向の磁場を与えると、第３磁性膜４ＢａがＰ３方向に磁化されることになる。この磁場を継続しながら、すなわち、第３磁性膜４ＢａをＰ３方向に磁化させながら、第２非磁性中間層４Ｂｂの上に、第４磁性層４Ｂｃを成膜していくと、その過程で、所定の膜厚のＲｕ層である第２非磁性中間層４Ｂｂを挟んだ相互作用（反平行結合）が発生し、第４磁性層４Ｂｃは、磁場の印加方向とは逆向きのＰ４方向に磁化されながら成膜されていく。第４磁性層４Ｂｃの成膜が完了すると、高保磁力層である第４磁性層４Ｂｃの磁化の向きがＰ４方向に固定される。そして、前記相互作用（反平行結合）により、第４磁性層４Ｂｃの固定磁化方向Ｐ４が決められ、第３磁性層４Ｂａの固定磁化方向Ｐ３が、Ｐ４方向と反平行に強固に固定される。

第２固定磁性層４Ｂを構成する第３磁性層４Ｂａ，第２非磁性中間層４Ｂｂおよび第４磁性層４Ｂｃの成膜が完了すると、その後は、前記相互作用（反平行結合）により、固定磁化方向Ｐ３とＰ４が強固に固定され、その後は容易に変化することはない。この安定的な固定磁化は、第４磁性層４Ｂｃの高保磁力により維持される。

上述した磁気検出素子１０の製造方法において、各磁性層を成膜する際に印加される磁場の方向と、形成された各磁性層の固定磁化方向を以下の表に示す。なお、下記の表において（）を付した矢印は、その方向に磁場を印加しなくてもよいことを示す。

上述した（ａ）および（ｃ）の工程では、第１磁性層４Ａｃの第１磁化量と第２磁性層４Ａａの第２磁化量との比（第１磁化量／第２磁化量）が、０．７５〜１．２５となるように第１固定磁性層４Ａを形成することが好ましい。第１磁性層４Ａｃと第２磁性層４Ａａとは、磁化量（飽和磁化Ｍｓ１・膜厚ｔ１、飽和磁化Ｍｓ２・膜厚ｔ２）の差が実質的にゼロとなる構成とすることがより好ましい。ここで「実質的にゼロ」とは、[（第１磁性層４Ａｃの磁化量−第２磁性層４Ａａの磁化量）／第１磁性層４Ａｃと第２磁性層４Ａａの平均磁化量]が絶対値で０．７％以下であることをいう。

上述した（ｄ）および（ｂ）の工程は、第３磁性層４Ｂａの第３磁化量と第４磁性層４Ｂｃの第４磁化量との比（第３磁化量／第４磁化量）が、０．７５〜１．２５となるように第２固定磁性層４Ｂを形成することが好ましい。両層は、磁化量の差が実質的にゼロとなる構成とすることがより好ましい。

＜アニール工程＞
第４磁性層４Ｂｃの成膜工程（ｂ）の後に、磁場を印加することなくアニール処理するアニール工程を行ってもよい。ここで、「磁場を印加しないでアニールする」とは、所定方向の磁場を意図的に印加しないで熱処理することを意味し、完全な無磁場において熱処理されることに限られない。アニール工程における加熱温度は２００〜３５０℃程度で、加熱時間は１時間〜３時間程度である。アニール工程を経ることで各層が安定化する。

＜磁気センサ＞
図２に本発明の実施形態の製造方法により製造される磁気センサ（磁気検出装置）３０が示されている。

磁気センサ３０は、フルブリッジ回路３２Ｘおよびフルブリッジ回路３２Ｙを有している。フルブリッジ回路３２Ｘは、２つの磁気検出素子１０Ｘａと２つの磁気検出素子１０Ｘｂとを備えており、フルブリッジ回路３２Ｙは、２つの磁気検出素子１０Ｙａと２つの磁気検出素子１０Ｙｂとを備えている。磁気検出素子１０Ｘａ，１０Ｘｂ，１０Ｙａ，１０Ｙｂはいずれも、図１に示した磁気検出素子１０の膜構造を備えている。これらを特に区別しない場合、以下適宜、磁気検出素子１０と記す。

フルブリッジ回路３２Ｘとフルブリッジ回路３２Ｙとは、検出磁場方向を異ならせるために、図２中に矢印で示した固定磁化方向が異なる磁気検出素子１０を用いたものであって、磁場を検出する機構は同じである。そこで、以下では、フルブリッジ回路３２Ｘを用いて磁場を検出する機構を説明する。

フルブリッジ回路３２Ｘは、磁気検出素子１０Ｘａと磁気検出素子１０Ｘｂとが直列に接続されて第１の直列部３２Ｘａが構成され、磁気検出素子１０Ｘｂと磁気検出素子１０Ｘａとが直列に接続されて第２の直列部３２Ｘｂが構成されている。第１の直列部３２Ｘａと第２の直列部３２Ｘｂが並列に接続されて構成されている。

第１の直列部３２Ｘａを構成する磁気検出素子１０Ｘａと、第２の直列部３２Ｘｂを構成する磁気検出素子１０Ｘｂに共通の電源端子３３に、電源電圧Ｖｄｄが与えられる。第１の直列部３２Ｘａを構成する磁気検出素子１０Ｘｂと、第２の直列部３２Ｘｂを構成する磁気検出素子１０Ｘａに共通の接地端子３４が接地電位ＧＮＤに設定されている。

フルブリッジ回路３２Ｘを構成する第１の直列部３２Ｘａの中点３５Ｘａの出力電位（ＯｕｔＸ１）と、第２の直列部３２Ｘｂの中点３５Ｘｂの出力電位（ＯｕｔＸ２）との差動出力（ＯｕｔＸ１）−（ＯｕｔＸ２）がＸ方向の検知出力（検知出力電圧）ＶＸｓとして得られる。

フルブリッジ回路３２Ｙも、フルブリッジ回路３２Ｘと同様に作用することで、第１の直列部３２Ｙａの中点３５Ｙａの出力電位（ＯｕｔＹ１）と、第２の直列部３２Ｙｂの中点３５Ｙｂの出力電位（ＯｕｔＹ２）との差動出力（ＯｕｔＹ１）―（ＯｕｔＹ２）がＹ方向の検知出力（検知出力電圧）ＶＹｓとして得られる。

図２に矢印で示すように、フルブリッジ回路３２Ｘを構成する磁気検出素子１０Ｘａおよび磁気検出素子１０Ｘｂの感度軸方向と、フルブリッジ回路３２Ｙを構成する磁気検出素子１０Ｙａおよび各磁気検出素子１０Ｙｂの感度軸方向とは直交している。

図２に示す磁気センサ３０では、それぞれの磁気検出素子１０のフリー磁性層２の向きが外部磁場Ｈの方向に倣うように変化する。このとき、第２磁性層４Ａａの固定磁化方向Ｐ２および第３磁性層４Ｂａの固定磁化方向Ｐ３と、フリー磁性層３の磁化方向との、ベクトルの関係で抵抗値が変化する。

例えば、外部磁場Ｈが図２に示す方向に作用したとすると、フルブリッジ回路３２Ｘを構成する磁気検出素子１０Ｘａでは感度軸方向と外部磁場Ｈの方向が一致するため電気抵抗値は小さくなり、一方、磁気検出素子１０Ｘｂでは感度軸方向と外部磁場Ｈの方向が反対であるため電気抵抗値は大きくなる。この電気抵抗値の変化により、検知出力電圧ＶＸｓ＝（ＯｕｔＸ１）−（ＯｕｔＸ２）が極大となる。外部磁場Ｈが紙面に対して右向きに変化するにしたがって、検知出力電圧ＶＸｓが低くなっていく。そして、外部磁場Ｈが図２の紙面に対して上向きまたは下向きになると、検知出力電圧ＶＸｓがゼロになる。

一方、フルブリッジ回路３２Ｙでは、外部磁場Ｈが図２に示すように紙面に対して左向きのときは、全ての磁気検出素子１０で、フリー磁性層２の磁化の向きが、感度軸方向（固定磁化方向Ｐ２，Ｐ３）に対して直交するため、磁気検出素子１０Ｙａおよび磁気検出素子１０Ｘｂの電気抵抗値は同じである。したがって、検知出力電圧ＶＹｓはゼロである。図２において外部磁場Ｈが紙面に対して下向きに作用すると、フルブリッジ回路３２Ｙの検知出力電圧ＶＹｓ＝（ＯｕｔＹ１）―（ＯｕｔＹ２）が極大となり、外部磁場Ｈが紙面に対して上向きに変化するにしたがって、検知出力電圧ＶＹｓが低くなっていく。

このように、外部磁場Ｈの方向が変化すると、それに伴いフルブリッジ回路３２Ｘおよびフルブリッジ回路３２Ｙの検知出力電圧ＶＸｓおよびＶＹｓも変動する。したがって、フルブリッジ回路３２Ｘおよびフルブリッジ回路３２Ｙから得られる検知出力電圧ＶＸｓおよびＶＹｓに基づいて、検知対象の移動方向や移動量（相対位置）を検知することができる。

図２には、Ｘ方向と、Ｘ方向に直交するＹ方向の磁場を検出可能に構成された磁気センサ３０を示した。しかし、Ｘ方向またはＹ方向の磁場のみを検出するフルブリッジ回路３２Ｘまたはフルブリッジ回路３２Ｙのみを備えた構成としてもよい。

図３に、磁気検出素子１０Ｘａと磁気検出素子１０Ｘｂの平面構造が示されている。図２と図３は、ＢＹａ−ＢＹｂ方向がＹ方向である。図３には、磁気検出素子１０Ｘａ，１０Ｘｂの固定磁化方向を矢印で示している。

図３に示すように、磁気検出素子１０Ｘａと磁気検出素子１０Ｘｂは、ストライプ形状の素子部１２を有している。素子部１２の長手方向がＢＹａ−ＢＹｂ方向に向けられている。素子部１２は複数本が平行に配置されており、隣り合う素子部１２の図示右端部が導電部１３ａを介して接続され、隣り合う素子部１２の図示右端部が導電部１３ｂを介して接続されている。素子部１２の図示右端部と図示左端部では、導電部１３ａ，１３ｂが互い違いに接続されており、素子部１２はいわゆるミアンダ形状に連結されている。磁気検出素子１０Ｘａ，１０Ｘｂの、図示右下部の導電部１３ａは接続端子１４ａと一体化され、図示左上部の導電部１３ｂは接続端子１４ｂと一体化されている。

各素子部１２は複数の金属層（合金層）が積層されて構成されている。図１に素子部１２の積層構造が示されている。

＜磁気センサの製造方法＞
図２に示す磁気センサ３０は、例えば、次のようにして製造することができる。図４（Ａ）〜図４（Ｄ）は、本実施形態における磁気センサ３０の製造方法を模式的に示す図であり、成膜工程における基板と磁場の印加方向との関係を示している。なお、図４（Ａ）〜（Ｄ）は、各工程で形成される磁気検出素子１０の固定磁化方向Ｐ２およびＰ３（図１参照）を模式的に示すものであり、基板３１における各磁気検出素子１の配置を示すものではない。

図４（Ａ）の工程では、基板３１に２つの磁気検出素子１０Ｘｂを形成する。磁気検出素子１０Ｘｂの第１固定磁性層４Ａの第１磁性層４Ａｃ（図１参照）を成膜する（ａ）の工程において、基板３１に１８０°方向の磁場を与えながら成膜し、第２固定磁性層４Ｂの第４磁性層４Ｂｃを成膜する（ｂ）の工程において、基板３１に０°方向の磁場を与えながら成膜する。これにより、フリー磁性層２の近くにある第２磁性層４Ａａおよび第３磁性層４Ｂａの固定磁化方向Ｐ２，Ｐ３が０°方向の磁気検出素子１０Ｘｂを形成することができる。

図４（Ｂ）（Ｃ）および（Ｄ）の工程では、（ａ）・（ｂ）の成膜工程において与える磁場の方向を、２７０°・９０°，０°・１８０°、および９０°・２７０°方向に変化させて、同一の基板 ３１に磁気検出素子１０Ｙｂ，１０Ｘａおよび１０Ｙａを形成する。図４（Ｂ）（Ｃ）および（Ｄ）の工程でも図４（Ａ）と異なる方向の磁場を与えながら同様に成膜して、磁気検出素子１０Ｙｂ，１０Ｘａおよび１０Ｙａの固定磁化方向を決定する。磁場の印加方向は、基板３１と磁場との相対関係により決まるから、印加する磁場の方向を変化させる際、基板３１または磁場印加手段のいずれを移動させても良い。

このように、固定磁性層の形成工程を、磁場を印加する方向を変化させて繰り返すことにより、同一の基板３１に固定磁化方向の異なる磁気検出素子１０Ｘａ，１０Ｘｂ，１０Ｙａ，１０Ｙｂを形成することができる。図４（Ａ）から図４（Ｄ）の工程により形成される磁気検出素子１０Ｘｂ，１０Ｙｂ，１０Ｘａ，１０Ｙａにおける、第２磁性層４Ａａおよび第３磁性層４Ｂａの固定磁化方向、ならびに第１磁性層４Ａｃおよび第４磁性層４Ｂｃを成膜する（ａ）の工程および（ｂ）の工程において与える磁場の方向を以下の表に示す。

基板３１上に固定磁性層４の固定磁化方向が相違する複数種の磁気検出素子１０Ｘａ，１０Ｘｂ，１０Ｙａおよび１０Ｙｂの成膜が完了した後に、磁場を印加しない状態でアニール工程を行う。これにより、磁気検出素子１０をエージングして安定な磁気センサ３とすることができる。

その後、１つの基板３１上に形成された各磁気検出素子１０Ｘａ，１０Ｘｂ，１０Ｙａ，１０Ｙｂを結線することで図２に示すフルブリッジ回路３２Ｘとフルブリッジ回路３２Ｙとを形成し、磁気センサ３０の製造を完了する。

セルフピン止め型のデュアルスピンバルブ磁気検出素子１０を以下のようにして製造した。
＜第１および第２固定磁性層形成工程＞
第１固定磁性層４Ａの第１磁性層４Ａｃ（図１参照）を、６０Ｏｅ（１Ｏｅ＝約７９．６Ａ／ｍ）の磁場を印加して形成した（工程（ａ））。固定磁性層４Ａの第２磁性層４Ａａおよび固定磁性層４Ｂの第３磁性層４Ｂａを、工程（ａ）と同じ大きさの磁場を同じ方向に印加して形成した（工程（ｃ）および（ｄ））。固定磁性層４Ｂの第４磁性層４Ｂｃを、工程（ａ）と同じ大きさの磁場を反対方向に印加して形成した（工程（ｂ））。このようにして、形成された磁気検出素子１０を２９０℃で３時間アニールした。以下の実施例および比較例において、括弧内の数値は各層の膜厚を示し、単位はÅ（オングストローム）である。

（実施例１）
本実施例の磁気検出素子１０（図１参照）の膜構成は以下の通りである。
基板／下地層１：ＮｉＦｅＣｒ（６０）／第１磁性層４Ａｃ：Ｆｅ_{６０ａｔ％}Ｃｏ_{４０ａｔ％}（１９．５）／非磁性中間層４Ａｂ：Ｒｕ（３．６）／第２磁性層４Ａａ：Ｃｏ_{９０ａｔ％}Ｆｅ_{１０ａｔ％}（２４）／第１非磁性材料層３Ａ：Ｃｕ（２０．５）／フリー磁性層２：〔Ｎｉ_{８１．５ａｔ％}Ｆｅ_{１８．５ａｔ％}（２０）／Ｃｏ_{９０ａｔ％}Ｆｅ_{１０ａｔ％}（１２）〕／第２非磁性材料層３Ｂ：Ｃｕ（２０．５）〕／第３磁性層４Ｂａ：Ｃｏ_{９０ａｔ％}Ｆｅ_{１０ａｔ％}（２４）／非磁性中間層４Ｂｂ：Ｒｕ（３．６）／第４磁性層４Ｂｃ：Ｆｅ_{６０ａｔ％}Ｃｏ_{４０ａｔ％}（１９．５）／保護層５：Ｔａ（７０）

（比較例１）
図５は、比較例１の磁気検出素子２０の膜構成を示す説明図である。同図に示すように、磁気検出素子２０はデュアルスピンバルブ磁気検出素子ではなく、フリー磁性層２が保護層５に隣接し、固定磁性層４が下地層１に隣接して形成された、いわゆるボトムタイプのものであって、膜構成は以下の通りである。
基板／下地層１：ＮｉＦｅＣｒ（６０）／第１磁性層４ｃ：Ｆｅ_{６０ａｔ％}Ｃｏ_{４０ａｔ％}（１９．５）／非磁性中間層４ｂ：Ｒｕ（３．６）／第２磁性層４ａ：Ｃｏ_{９０ａｔ％}Ｆｅ_{１０ａｔ％}（２４）／非磁性材料層３：Ｃｕ（２０．５）／フリー磁性層２：〔Ｎｉ_{８１．５ａｔ％}Ｆｅ_{１８．５ａｔ％}（２０）／Ｃｏ_{９０ａｔ％}Ｆｅ_{１０ａｔ％}（１２）〕／保護層５：Ｔａ（７０）

図６および図７は、実施例１および比較例１の磁気検出素子１０および２０のＲ−Ｈ曲線である。図８は、実施例１および比較例１の磁気検出素子１０および２０の抵抗変化率（ΔＭＲ）を示すグラフである。これらに示されるように、実施例１のデュアルスピンバルブの磁気検出素子１０は、ボトムタイプの磁気検出素子１０を基準として抵抗変化率（ΔＭＲ）が３０％も高くなった。

１ 下地層
２ フリー磁性層
３，３Ａ，３Ｂ 非磁性材料層，第１非磁性材料層，第２非磁性材料層
４，４Ａ，４Ｂ 固定磁性層，第１固定磁性層，第２固定磁性層
４ｃ，４Ａｃ， 第１磁性層
４ｂ，４Ａｂ， 非磁性中間層，第１非磁性中間層，
４ａ，４Ａａ， 第２磁性層
４Ｂａ 第３磁性層
４Ｂｂ 第２非磁性中間層
４Ｂｃ 第４磁性層
５ 保護層
１０，１０Ｘａ，１０Ｘｂ，１０Ｙａ，１０Ｙｂ 磁気検出素子（デュアルスピンバルブ磁気検出素子）
２０ 磁気検出素子
３０ 磁気センサ（磁気検出装置）
３１ 基板

Claims (5)

1. 第１固定磁性層と第１非磁性材料層とフリー磁性層と第２非磁性材料層と第２固定磁性層が隣接しており、
   前記第１固定磁性層が、前記第１非磁性材料層側から第２磁性層と第１非磁性中間層と第１磁性層の順に隣接して、前記第２固定磁性層が、前記第２非磁性材料層側から第３磁性層と第２非磁性中間層と第４磁性層の順に隣接しているデュアルスピンバルブ磁気検出素子の製造方法において、
   （ａ）前記第１磁性層を、磁場中で成膜する工程と、
   （ｂ）前記第４磁性層を、前記（ａ）の工程において印加される磁場と逆方向の磁場中で成膜する工程と、を有し、
   前記（ａ）の工程と前記（ｂ）の工程との間に、
   （ｃ）前記第２磁性層を前記（ａ）の工程において印加される磁場と同方向の磁場中で成膜する工程と、
   （ｄ）前記第３磁性層を前記（ａ）の工程において印加される磁場と同方向の磁場中で成膜する工程と、を有して、
   前記第２磁性層の磁化と前記第３磁性層の磁化を同じ向きに固定することを特徴とするデュアルスピンバルブ磁気検出素子の製造方法。
2. 前記第１磁性層の保磁力Ｈｃ１が前記第２磁性層の保磁力Ｈｃ２よりも高く、前記第４磁性層の保磁力Ｈｃ４が前記第３磁性層の保磁力Ｈｃ３よりも高い請求項１記載のデュアルスピンバルブ磁気検出素子の製造方法。
3. 前記第１磁性層の膜厚ｔ１が前記第２磁性層の膜厚ｔ２よりも薄く、前記第１磁性層の磁化量Ｍｓ１・ｔ１が前記第２磁性層の磁化量Ｍｓ２・ｔ２と実質的に同じであり、
   前記第４磁性層の膜厚ｔ４が前記第３磁性層の膜厚ｔ３よりも薄く、前記第４磁性層の磁化量Ｍｓ４・ｔ４が前記第３磁性層の磁化量Ｍｓ３・ｔ３と実質的に同じである請求項２に記載のデュアルスピンバルブ磁気検出素子の製造方法。
4. 請求項１ないし３のいずれかの製造方法により、同一の基板上に複数のデュアルスピンバルブ磁気検出素子を形成することを特徴とするデュアルスピンバルブ磁気検出素子を使用した磁気検出装置の製造方法。
5. 前記第１固定磁性層の固定磁化方向と第２固定磁性層の固定磁化方向とを素子ごとに相違させた、複数の前記デュアルスピンバルブ磁気検出素子を、同じ基板上に形成する請求項４記載のデュアルスピンバルブ磁気検出素子を使用した磁気検出装置の製造方法。

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